[論文レビュー] Current-induced fragmentation of antiferromagnetic domains

M. S. Wörnle, Pol Welter+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2019

Advanced Electron Microscopy Techniques and ApplicationsBiochemistry, Genetics and Molecular Biology被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、電流パルスがCuMnAs膜における反強磁性ドメインのナノスケール破壊を誘発することを明らかにした。このプロセスは電流の大きさに依存し、電流の向きとは無関係である。同時に実施されたスキャンNV磁気測定と抵抗測定により、この破壊が、室温で最大20%に達する大きな抵抗スイッチング信号と強く相関していることが示された。破壊後の状態は元のドメインパターンの記憶を保持しており、時間経過とともに元の状態に戻る緩和を示す。

ABSTRACT

Electrical and optical pulsing allow for manipulating the order parameter and magnetoresistance of antiferromagnets, opening novel prospects for digital and analog data storage in spintronic devices. Recent experiments in CuMnAs have demonstrated giant resistive switching signals in single-layer antiferromagnetic films together with analog switching and relaxation characteristics relevant for neuromorphic computing. Here we report simultaneous electrical pulsing and scanning NV magnetometry of antiferromagnetic domains in CuMnAs performed using a pump-probe scheme. We observe a nano-scale fragmentation of the antiferromagnetic domains, which is controlled by the current amplitude and independent on the current direction. The fragmented antiferromagnetic state conserves a memory of the pristine domain pattern, towards which it relaxes. Domain fragmentation coexists with permanent switching due to the reorientation of the antiferromagnetic moments. Our simultaneous imaging and resistance measurements show a correlation between the antiferromagnetic domain fragmentation and the largest resistive switching signals in CuMnAs.

研究の動機と目的

• 電気的パルス印加下における反強磁性CuMnAs膜における巨大抵抗スイッチングの微視的起源を調査すること。
• 過去の研究で観察された大きな抵抗変化に、電流誘起ドメイン破壊が寄与しているかどうかを特定すること。
• 反強磁性秩序パラメータのスイッチングにおいて、ドメイン破壊とネールベクトル再配列の相互作用を解明すること。
• 時間分解ナノスケール磁気イメージングを用いて、電流密度とパルス幅がドメインテクスチャーの進化をどのように駆動するかを確立すること。
• 電流パルス後のドメイン破壊状態の記憶および緩和ダイナミクスを評価すること。

提案手法

• サブ100 nmの空間分解能を有するスキャン窒素空孔(NV)磁気測定を用いて、CuMnAsマイクロデバイス内の反強磁性ドメインのナノスケール磁気ストレイ場をイメージングした。
• 電流パルスと時間分解NV測定を組み合わせたポンプ・プローブ法を用い、パルス中およびパルス後のドメイン進化を追跡した。
• 外部磁場を印加したODMR分光法を用いてNV中心の感度と方位を補正し、面内ストレイ磁場成分の符号と大きさを特定した。
• ストレイ場マップの形状の明瞭化とノイズ低減を目的として、ガウス型ローパassフィルタリング（σ = 24 nm）を適用した。
• ストレイ場マップ上でのB_NV(x,y)のルート・ミーン・スクエア（RMS）を用いて磁気ストレイ場の振幅を定量的に評価し、不確実性はジャックナイフ再サンプリング法で推定した。
• 測定された磁気ストレイ場パターンと同時に得られた電気的抵抗測定結果を相関させ、ドメイン構造と抵抗スイッチング挙動の関連を明確にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電流パルスは、ネールベクトル再配列を越えて反強磁性ドメインテクスチャーに構造的変化を引き起こすか？
• RQ2 CuMnAsにおけるドメイン破壊は抵抗スイッチング信号の大きさとどのように関連しているか？
• RQ3 電流誘起ドメイン破壊は電流の向きに依存するのか、それとも電流の大きさにのみ依存するのか？
• RQ4 破壊された反強磁性ドメイン状態は、元のドメイン構成の記憶を保持しているか。もしそうならば、その緩和はどのように進行するか？
• RQ5 クロス形状マイクロデバイスにおける電流密度の空間的非均一性は、ドメイン破壊にどのように影響するか？

主な発見

• 電流パルスにより、CuMnAs膜内の反強磁性ドメインがナノスケールで破壊され、その破壊度は電流の大きさに制御され、電流の向きとは無関係である。
• 破壊ドメイン状態は、室温で最大20%に達する最大の抵抗スイッチング信号と強く相関しており、これは従来の異方的磁気抵抗効果を2〜3桁上回る。30 Kでは約100%に達する。
• 破壊されたドメインパターンは、元の完全なドメイン構成の記憶を保持しており、時間分解NVイメージングにより、時間経過とともに元の状態に戻る緩和が確認された。
• 一部の領域ではドメイン破壊と180°ネールベクトル再配列が共存しており、複数のスイッチングメカニズムが同時に作用していることが示された。
• クロス形状マイクロデバイスにおける電流密度の空間的非均一性が、ドメイン破壊の非均一性を引き起こしており、電流と磁場マップの相関測定により明らかになった。
• ドメインテクスチャーの複雑さを定量的に評価するストレイ場のRMSは、パルス後大幅に増加し、ピーク抵抗スイッチングと相関した。これにより、ドメイン破壊が信号増幅に果たす役割が確認された。